Электростатические преобразователи в вольтметрах

И датчиках уравновешивания

Силы, создаваемые ЭС преобразователями, чрезвычайно малы и на несколько порядков меньше сил, которые можно получить в элек­тромагнитных преобразователях. Однако ЭС преобразователи обла­дают рядом ценных качеств, которые обусловливают их применение в вольтметрах.

Во-первых, как видно из формулы вращающего момента ЭС пре­образователя М _вр=½ U ²¶ C /¶a, вращающий момент пропорционален квадрату напряжения как постоянного, так и переменного тока. Уменьшение напряжения на пластинах преобразователя (см. рис. 2-24, а) и, следовательно, частотная погрешность начнут проявляться только на частотах, при которых заметно падает напряжение на сопротивлении ввода z = .

Сопротивление r незначительно, и им обычно можно пренебречь. Поэтому частотная погрешность может быть оценена формулой .

Обозначив , выражение для погреш­ности приведем к виду . Частота f ₀ лежит обычно в пределах 30 – 100 МГц. Соответственно при g _f= 1% верхняя граница частотного диапазона ЭС преобразователей составляет 3 – 10 МГц, и эти преобразователи используются в вольтметрах с широ­ким частотным диапазоном.

Во-вторых, ЭС преобразователь, обладая высоким входным сопро­тивлением, потребляет исключительно малую мощность: на постоян­ном токе его входное сопротивление R _вх = 10⁹¸10¹¹ Ом, на перемен­ном токе Z _вх»1/(j w C). Если учесть, что входная емкость пре­образователя не превышает 10 – 100 пФ, его сопротивление даже при частоте f = 1 МГц составляет не менее 10 – 1 кОм.

Наконец, в уравнение преобразования напряжения в силу или вращающий момент входят только стабильные величины – диэлек­трическая проницаемость воздуха e₀ и геометрические размеры, поэтому принципиально ЭС преобразователь обладает очень высокой точностью. Эти ценные качества обусловили, несмотря на малость создаваемых вращаю­щих моментов, широкое применение электроста­тических вольтметров с пределами измерения 10 В – 100 кВ.

Схематическая кон­струкция механизма электростатического во­льтметра С95 приведена на рис. 2-25. На стойке 2 укреплен на изоля­ционной колонке 11 неподвижный электрод 10, представляющий собой камеру из двух парал­лельных пластин. Меж­ду этими пластинами находится подвижный электрод 9. Подвижный электрод монтируется на оси 7, на этой же оси прикреплено зеркало 8. Подвижная часть кре­пится на двух растяж­ках 1. Растяжки кре­пятся к амортизацион­ным пружинам со втулками 5. На стойке укреплен поводок коррек­тора 4, ограничитель смещения подвижной части 6 и магнит успокои­теля 3.

 

 

Рис. 2-25

 

Вращающий момент M _вр= .

Противодействующий мо­мент М_пр = W a, где W – удельный противодей-ствующий момент растяжек.

Таким образом, угол поворота подвижной части

Шкала электростатических приборов принципиально нелинейна, линеаризации шкалы добиваются выбором специальной формы элек­тродов. Для приборов с меняющейся площадью шкала будет близка к линейной, если удастся выбрать форму электродов так, что в рабо­чем диапазоне dS/d a» k/ a.

Вследствие того, что вращающие моменты электростатических измерительных механизмов очень малы, для всех конструкций харак­терен световой отсчет (стрелка в виде луча света) и крепление подвиж­ной части на растяжках, причем одна из растяжек используется как токоподвод к подвижному электроду. В приборах применяются как воздушные, так и магнитоиндукционные успокоители, хотя в отдель­ных случаях достаточное успокоение создается уже самим подвиж­ным электродом при его движении в узком зазоре между неподвижными электродами. Очень большое внимание при конструировании уделяется стабильности размеров, которые определяют геометрические параметры, входящие в выражение для вращающего момента. Нако­нец, ЭС преобразователь дол­жен быть защищен от внешних электрических полей, поэтому в электростатических приборах применяется либо специальный экран, либо металлический кор­пус.

Форма электродов, приведен­ная на рис. 2-25, используется в вольтметрах с пределами изме­рения до 1 кВ.

Совершенно особую конст­рукцию имеют ЭС преобразо­ватели, к которым подается на­пряжение 10 – 100 кВ. Внешний вид такого прибора и схемати­ческая конструкция механизма показаны на рис. 2-26. Высоковольтный потенциаль­ный электрод 1, размеры и фор­ма которого рассчитываются из условий электрической прочно­сти, закреплен на опорном изоляторе и находится на некото­ром расстоянии от второго элек­трода 2 (рис. 2-26, а). В электро­де 2, который служит экраном, расположена подвижная часть и шкала измерительного меха­низма. Экран 2 электрически соединен с подвижным электро­дом 3, закрепленным на растяж­ках 4 (рис. 2-26, б). В экране, в области электрода 3, сделаны окна, форма и размер которых определяют шкалу измерительного прибо­ра, так как только через эти окна электростатическое поле электро­да 1 проникает через экран 2 и взаимодействует с подвижным элек­тродом 3, создавая вращающий момент.

Электростатические обратные преобразователи. Принцип действия электростатического обратного преобразователя (ЭСОП) основан на возникновении силы между электрически заряженными телами. Сила взаимодействия между двумя пластинами конденсатора (рис. 2-27)

F =e SU²/ (2d²₀),

где U – напряжение между пластинами; d₀ – за­зор; S – площадь пластин; e – диэлектрическая проницаемость среды.

 

Рис. 2-27

 

ЭСОП нашли применение в приборах уравновешивания для изме­рения давления. Давление, создаваемое ЭСОП, составляет

Р _b­=e U ²/(2d²₀).

Отношение U /d₀ ограничено возможностью пробоя, соответственно ограничено и давление, создаваемое ЭСОП, максимальное значение давления Р _b = 100 Па.

Динамические конденсаторы, или емкостные вибрационные преобразователи, применяются при измерении мало меняющихся во вре­мени малых токов или напря­жений от источников с большим внутренним сопротивлением.

Схематическая конструкция динамического конденсатора мембранного типа с электро­статическим возбуждением при­ведена на рис. 2-28. Неподвиж­ные электроды 1 и 2 укреплены на изоляторах 3. Мембрана 4 служит подвижным электродом. К электроду 1 через резистор R₁ подводится измеряемое напряжение U_х. K электроду 2 подводится возбуждающее переменное напряже­ние U _~= U_m sinw t, под действием которого между электродом 2 и мембраной 4 возникает электростатическая сила

Эта сила вызывает постоянное смещение мембраны иее вибрацию с частотой 2w. Таким образом, зазор между электродом 1 и мембра­ной 4 также изменяется с частотой 2w и может быть определен фор­мулой

d₁=d₀₁+d _m cos2w t,

где d₀₁ – средний зазор.

Емкость кон­денсатора, образованного электродом 1 и мембраной 4, меняется как При включении конденсатора C ₁ в режиме заданного заряда, т.е. при обеспечении условия C ₀₁ R ₁ R _н>>1/(2w), напряжение на обкладках конденсатора меняется как .

Конденсатор C ₃ отфильтровывает постоянную составляющую, и выходное напряжение динамического конденсатора пропорциональ­но U_X и изменяется с частотой 2w:

U _вых= kU_X cos2w t.

Коэффициент преобразования k = U_{m вых}/ U_X составляетобычно не более 0,1 – 0,2.

Мощность, потребляемая динамическим конденсатором от источ­ника измеряемого напряжения, определяется сопротивлением изо­ляции конденсатора, т.е. R _ут. В качестве изоляторов применяется алундовая и цельзеиновая керамика. Сопротивление R _ут со­ставляет 10¹⁴–10¹⁷Ом.

Рис. 2-28

В качестве систем возбуждения исполь­зуются системы электромагнитного, электро­статического и пьезоэлектрического типов. Технологически трудно исключить все па­разитные связи и добиться полной развяз­ки между электрической цепью системы воз­буждения и выходной цепью преобразователя. Поэтому в выходном напряжении пре­образователя присутствует помеха, частота которой равна частоте напряжения возбуждения. Для уменьшения этой помехи путем фильтрации необхо­димо, чтобы частоты выходного сигнала и возбуждающего напря­жения не совпадали. В рассматриваемом преобразователе, например, эти частоты отличаются в два раза.

Наиболее существенной погрешностью преобразователя является дрейф напряжения между электродами конденсатора, называемый дрейфом нуля. На величину дрейфа наибольшее влияние оказывает нестабильность контактной разности потенциалов, которая даже при применении всех мер стабилизации составляет 50—200 мкВ/сутки.

Емкостные преобразователи

Конструкции емкостных преобразователей. На рис. 2-29, а пока­зано устройство емкостного преобразователя для измерения уровня. Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конден­саторов: конденсатор C ₁ образован частью электродов и диэлектри­ком – жидкостью, уровень которой измеряется; конденсатор С ₀ – остальной частью электродов и диэлектриком – воздухом.

Емкость преобразователя

С = С ₁ + С ₀ = ,

где l ₀ – полная длина цилиндра; l – длина, на которую цилиндр заполнен жидкостью; e – диэлектрическая проницаемость жидкости; R ₁ и R ₂ – радиусы внешнего и внутреннего цилиндров.

На рис. 2-29, б изображен емкостный зонд для измерения уровня проводящей жидкости. Емкостный зонд был предложен для измере­ния высоты волн и представляет собой остеклованный электрод 1. Электродом 2 служит проводящая жидкость, которая присоединяется к измерительной цепи при помощи электрода 3.

Емкость

С= ,

где l – глубина погружения; e – диэлектрическая проницаемость стекла; R ₁ и R ₂ – внешний и внутрен­ний радиусы стеклянного покрытия.

Вместо специального электрода может быть использован кусок провода, покрытого изоляцией, не сма­чиваемой жидкостью.

На рис. 2-29, в показан принцип устройства емкостного преобра­зователя для измерения толщины ленты из диэлектрика. Испытуемая лента 1 протягивается с помощью роликов 2 между обкладками 3 конденсатора. Если длину зазора между обкладками конденсатора обозначить d, площадь обкладок S, толщину ленты d_л и ее диэлек­трическую проницаемость e_л, то емкость С можно выразить формулой:

^.

На рис. 2-29, г показан принцип устройства емкостных преобра­зователей с переменной площадью пластин, используемых для изме­рения угла поворота вала. Пластина 1, жестко скрепленная с валом, перемещается относительно пластины 2 так, что длина зазора между ними сохраняется неизменной. Достоинством емкостных преобразователей с переменной площадью пластин является возможность соот­ветствующим выбором формы подвижной 1 и неподвижной 2 пластин получить заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным угловым или линейным перемещением. Преобра­зователи с переменной площадью применяются для измерения пере­мещений больше 1 мм.

Для измерения малых перемещений (10^-6 – 10^-3 м) получили применение преобразователи с переменным зазором. Принцип уст­ройства подобного дифференциального преобразо­вателя изображен на рис. 2-29, д. Обкладка 2 закреплена на пружинах и перемещается поступа­тельно под воздействием измеряемой силы F. Об­кладки 1 и 3 неподвижны. Емкость между обклад­ками 2 и 3 увеличивается, а между обкладками 1 и 2 – уменьшается.